工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (1): 91-96   (2659KB)    
一种测量岩石压缩裂纹扩展过程声波波速的连续测量方法
张晓平, 王思敬, 刘泉声    
① 武汉大学土木建筑工程学院, 岩土与结构工程安全湖北省重点实验室 武汉 430072;
② 中国科学院地质与地球物理研究所 北京 100029
摘要:中低围压或单轴压缩荷载条件下,可以将脆性岩石材料的裂纹扩展过程划分为原生裂纹压密、新生裂纹起裂并稳定扩展、不稳定裂纹扩展和交互贯通以及峰后5个主要发展阶段。含预制裂纹试样的直接观测法、应变监测、声发射(AE)监测、声波波速测试、CT(computerized tomography)扫描、微电镜观察等间接监测方法被用来研究裂纹起裂和扩展过程。本文基于在中、低围压以及单轴压缩荷载条件下,脆性岩石材料首先产生张拉裂纹,并优先沿加载方向发育的规律,提出采用声波波速连续测量方法进行岩石加载过程波速的连续观测,有助于分析裂纹扩展过程中声波波速的变化,为研究裂纹扩展过程提供一种间接测量手段。
关键词岩石压缩试验    张拉裂纹    裂纹扩展    声波波速    
A CONTINUING MEASURE METHOD FOR ACOUSTIC WAVE VELOCITY MEASUREMENT DURING CRACKING PROCESSES OF ROCK
ZHANG Xiaoping, WANG Sijing, LIU Quansheng    
① The Key Laboratory of Safety for Geotechnical and Structural Engineering of Hubei Province, School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072;
② Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029
Abstract: At medium and low confining stress of triaxial and uniaxial compressive load, five stages as being (1)crack closure, (2)linear elastic deformation, (3)crack initiation and stable crack growth, (4)critical energy release and unstable crack growth, and (5)failure and post peak behavior can be defined for brittle rock material. Direct observation on the surface of flaw contained specimens, indirect observation techniques such as strain monitoring, Acoustic emission(AE)monitoring, acoustic wave velocity monitoring, computerized tomography scanning, microscopic observation(SEM/ESEM)etc, . Under the compressive load, tensile cracks are the first and primary cracks, which propagate generally along the loading direction. A continuing measure method for acoustic wave velocity measurement during cracking processes of rock was proposed based the discipline of crack propagation. The method will benefit for the indirect observation of cracking processes by monitoring the changes of acoustic wave velocity.
Key words: Compression test of rock    Tensile crack    Crack propagation    Acoustic wave velocity    

0 引言

在低应力环境下,岩体开挖后围岩的稳定性主要由岩体结构控制。而在深部和高地应力地区,岩体稳定性主要由岩体强度决定。开挖后导致围岩应力重分布,在洞壁/孔壁附近产生应力集中,当集中应力超过裂纹起裂应力,将在岩体中产生新生裂纹。新生裂纹起裂、扩展和交互贯通过程,直接决定了开挖后岩体的稳定性。因此,压缩荷载条件下岩石裂纹扩展研究非常重要,国内外大量研究者对脆性岩石材料在压缩荷载条件下的破裂过程进行研究,揭示加载的应力-应变曲线可以划分为5个不同区段(图 1)(Brace,1964; Bieniawski,1967; Martin,1993; Eberhardt et al., 1998; 张晓平等,2011)。

图 1 丹巴二云英片岩单轴压缩应力-应变曲线(张晓平等,2011) Fig. 1 Stress-strain curves of Danba quartz mica schist under uniaxial compressive test (Zhang et al., 2011)

研究压缩荷载条件下岩石裂纹扩展的方法主要分直接法和间接法两大类。直接法就是观察加载试样的裂纹扩展过程,由于试样内部裂纹扩展不易观察,往往制作含预制裂纹长方体板状试样进行压缩试验(Bobet,1997; Martinez,1999; Wong,2008; Park et al., 2009)。预制裂纹贯穿试样的厚度方向,通过观察试样表面,预制裂纹周围新生裂纹的起裂、扩展和交互贯通来研究裂纹的扩展过程。

直接法只能观察试样表面裂纹扩展过程,而通过应变监测(Brace,1964; Bieniawski,1967; Martin,1993; Eberhardt et al., 1998; 张晓平等,2011)、声发射(AE)监测(Lockner et al., 1992; Eberhardt et al., 1998; Chang et al., 2004; Thompson et al., 2009, Zhang et al., 2017)、P声波波速测试(Zhang et al., 2011)、CT(computerized tomography)扫描(Kawakata et al., 1999; Feng et al., 2004; Zhou et al., 2008)、微电镜观察(SEM/ESEM)(Wong et al., 2009)等技术手段,能间接分析研究岩石内部裂纹扩展过程。间接法不但能用于实验室分析,还能用于实际工程的现场监测分析(如声发射监测,现场也叫微震监测),间接法的运用比直接法更为广泛。

声波波速测试也是一种间接法,由于声波波速能很好地反映岩石的弹性参数和密度,测试方法简便,因而在室内岩石力学试验和现场岩体测试中获得广泛运用。但是传统的测试方法为静态测试方法,有必要将该方法扩展为连续测试方法,以运用于岩石裂纹扩展过程研究,本文就该声波波速连续测试方法的理论基础及其实施方法进行论述。

1 声波波速测量基本理论

在振动作用下,除了震源附近,材料中会产生相应的瞬间微应变,从而可以假定为弹性。从这个假定出发,振动波在材料中的传播速度由材料的弹性参数和密度决定。根据弹性理论,材料中波速与弹性参数之间的关系为:

$ {v_p} = \sqrt {\frac{{E(1 - \mu)}}{{\rho (1 - \mu)(1 - 2\mu)}}} $ (1)

$ {v_s} = \sqrt {\frac{E}{{2\rho (1 + \mu)}}} $ (2)

式中,vp为纵波速度;vs为横波速度;E为弹性模量;μ为泊松比。

岩石的纵波波速、横波波速参数能较好地反映岩石的致密程度、强度特性、裂纹发育等情况。因此,在岩石力学实验研究和岩体工程实践中,得到了广泛的运用。《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266-2013)(中国电力企业联合会,2013)、《水利水电工程岩石试验规程》(DL/T 5368-2007)(中国电力企业联合会,2007)都把岩石(块)声波测试和岩体声波测试作为基本测试内容,分别如图 2图 3所示。在地下岩体工程特别是煤矿采掘工程中,岩体松动圈测试就是利用波速在不同松动破坏程度、不同裂纹扩展程度岩体中的波速差异来判断岩体松动圈范围。声波波速的测量是将声波发射探头和声波接收探头通过耦合剂紧贴岩石表面,通过测量声波在发射探头和接受探头之间的传播时间t,并测量两个探头之间的距离s,计算测试岩石中的声波波速。

$ v = \frac{s}{t} $ (3)

图 2 岩石(块)声波测试 Fig. 2 Acoustic wave velocity test of intact rock

图 3 岩体声波测试 Fig. 3 Acoustic wave velocity test of rock mass

然而,目前在岩石(块)、岩体中进行的测试都是静态的波速测试,即岩石在确定的外部环境下,不变的内部结构条件下进行波速测试。

2 声波波速连续测试方法
2.1 压缩荷载条件下岩石裂纹扩展规律

图 4a~图 4d分别为花岗岩(Westerly Granite)中的轴向微裂纹、花岗岩(Lac du Bonnet Granite)压缩试样中的裂纹、二云英片岩(Quartz Mica Schist)单轴压缩试验的轴向裂纹和最大主应力垂直条件下洞室开挖洞壁附近剥落破坏示意图。在单轴压缩或低围压应力条件下,岩石等脆性材料(混凝土、玻璃、冰等等)首先产生张拉裂纹,并优先沿加载方向发育。这一结论已经被大量的研究所证实(Martin et al., 1994; Diederichs, 2003; Lan et al., 2010)。

图 4 不同尺度的张拉破坏(张晓平等,2011) Fig. 4 Tensile failures of different scales(Zhang et al., 2011) a. Westerly花岗岩中的轴向微裂纹;b. Bonnet湖区花岗岩压缩试样中的裂纹;c.二云英片岩单轴压缩试验的轴向裂纹;d.最大主应力垂直条件下洞室开挖洞壁附近剥落破坏

由于张拉裂纹沿加载方向发展,会对与加载方向垂直方向的声波波速有较大的影响。裂纹的存在,导致岩石材料垂直裂纹方向的弹性模量降低,根据式(1)和式(2),弹性模量的降低会使得岩石的声波波速降低。这一结论也被相关研究所证实(O'Connel et al., 1974; Kachanov,1992; Ullemeyer et al., 2006)。

裂纹的产生、扩展和贯通过程中沿垂直裂纹方向声波波速变化最为显著。因此该连续声波波速的连续测量方向应该垂直于裂纹扩展方向,才能获得最佳的测量效果。

2.2 岩石裂纹扩展过程声波波速连续测试方法(张晓平等,2015)

首先,制作岩石试样,试样尺寸按照单轴压缩实验规程比例。试样要求磨平,平整度满足单轴压缩试验要求。岩石试样为脆性材料,在单轴压缩条件下沿轴向产生以张拉裂纹为主的裂纹。除岩石材料外,还包括常见的脆性材料,如混凝土、玻璃、冰等脆性材料。岩石试样的形状可以是图 5所示的圆柱体、长方体和有预制裂纹的岩石试样。预制裂纹可以是张开裂纹、闭合裂纹和岩石表面一定深度的槽型裂纹,预制裂纹可以是单条,也可以是两条或多条的组合裂纹。

图 5 不同岩石试样形状 Fig. 5 Different shapes of rock specimens

然后,如图 6所示,将岩石放置在单轴岩石试验机上,固定好岩石试样8于底盘6和加压盘7之间,做好单轴压缩试验前的准备工作。其中,完整试样一般固定在试样的中间部位;预制裂纹试样应布置在预制裂纹的上部或下部,即使得声波传播基本不受预制裂纹的干扰,而只观察加载所新产生裂纹对声波波速的影响。

接下来,固定声波发射探头1和声波接收探头2于试样8两侧。为了保证探头和岩石试样之间的良好耦合,除了在探头与岩石试样见涂抹薄层黄油、甘油或凡士林等耦合剂外,还通过压紧弹簧3,测力计4,施力螺丝5以一定的压力进行固定,作用在探头上,达到增强耦合的效果。弹簧压力大小可以通过测力计4读出,参照国际岩石力学试验规程,详见Ulusay et al.(2007)。取探头作用在岩石表面的应力为10N cm-2左右,乘以探头与岩石的接触面积,计算出所需弹簧压力值。实际测量中也可以通过对标准试样声速的标定来确定合适的弹簧压力值。图 6中为最简单的一发一收模式,可以在试样右侧固定两个或多个声波接收探头,以一发多收的方式来分析沿加载试样内不同方向的声波波速。

图 6 压缩加载过程声波波速连续测试系统 Fig. 6 A continuing measure system for acoustic wave velocity during the compressive load

完成固定探头程序后,就可以打开数据采集器9和数据连续记录系统10,打开声波发射探头自动连续激发声波,接收探头接收经岩石试样传播过来的声波信号,数据采集器采集声波在发射探头和接收探头之间(即岩石试样中)的传播时间,并将该传播时间传输给数据连续记录系统,进行记录并存储。数据连续记录系统能以一定的采样频率记录声波在加载试样中的传播时间,进行连续测量。由于传统的声波测试是测量稳定状态的声波波速,因此数据采集器(或示波器)只是显示当前声波在声波发射探头和接收探头之间传播的时间间隔,测量者从显示器上读出声波传播时间。本方法要求连续记录声波传播时间,因此,提出采用数据连续记录系统记录声波传播时间。数据连续记录系统可以选择不同的频率进行记录并存储。

随后启动加压系统对岩石试样以较低的加载速率进行加载,加载直至岩石试样发生宏观破坏。加载过程中记录作用在岩石上的应力和轴向、径向应变。这些是常规单轴压缩试验的内容,在此就不一一赘述。详细可查看国际和国内的相关试验规程。

最后,连续记录系统得到的是声波在试样中的传播时间,需要用声波传播的距离D(圆柱形试样);L(长方体试样)除以传播的时间,得到试样加载全过程连续的声波波速。绘制出声波波速-加载时间曲线。

整个加载裂纹扩展过程声波波速测量过程示意图如图 7图 8所示。其中,图 7a图 7b图 7c分别对应为单轴压缩试样裂纹过程声波波速测量中的加载初期,未产生裂纹、加载中期,产生裂纹和加载后期,产生大量裂纹;图 8a图 8b图 8c分别对应为预制单裂纹试样加载裂纹过程声波波速测量中的加载初期,未产生裂纹、加载中期,产生裂纹和加载后期,裂纹增长、增多。

图 7 完整试样压缩加载过程声波波速连续测试 Fig. 7 A continuing measure for acoustic wave velocity during the compressive load for intact rock

图 8 含预制裂纹试样压缩加载过程声波波速连续测试 Fig. 8 A continuing measure for acoustic wave velocity during the compressive load for flaw contained specimen

3 结论

基于在中、低围压以及单轴压缩荷载条件下,脆性岩石材料首先产生张拉裂纹,并优先沿加载方向发育的规律,本文提出一种测量岩石压缩裂纹扩展过程声波波速的连续测量方法。该方法扩展了常规声波波速静态测量方法,实现了对整个岩石压缩裂纹扩展过程进行声波波速的连续测量。该方法可以应用于除岩石材料外的常见脆性材料如混凝土、玻璃、冰等在压缩荷载条件下的裂纹扩展过程声波波速的连续测量,也可以用于多孔隙岩石试样饱水(或干燥)全过程声波波速测量,以研究含水量变化导致的声波波速变化。

参考文献
Bieniawski Z T. 1967. Mechanism of brittle fracture of rock:Part Ⅱ-experimental studies[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts, 4(4): 407~423. DOI:10.1016/0148-9062(67)90031-9
Bobet A. 1997. Fracture Coalescence in Rock Materials: Experimental Observations and Numerical Predictions[D]. Cambridge, America: Massachusetts Institute of Technology.
Brace W F. 1964. Brittle fracture of rocks[C]//Proceedings of the International Conference. Santa Monica: [s. n. ]: 110-178.
Chang S H, Lee C I. 2004. Estimation of cracking and damage mechanisms in rock under triaxial compression by moment tensor analysis of acoustic emission[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 41(7): 1069~1086. DOI:10.1016/j.ijrmms.2004.04.006
China Electricity Council. 2007. Code for rock tests of hydroelectric and water conservancy engineering(DL/T 5368-2007)[S]. Beijing: China Electric Power Press.
China Electricity Council. 2013. Standard for test methods of engineering rock mass(GB/T 50266-2003)[S]. Beijing: China Planning Press.
Diederichs M S. 2003. Manuel Rocha Medal recipient-Rock fracture and collapse under low confinement conditions[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 36(5): 339~381. DOI:10.1007/s00603-003-0015-y
Eberhardt E, Stead D, Stimpson B, et al. 1998. Identifying crack initiation and propagation thresholds in brittle rock[J]. Canadian Geotechnical Journal, 35(2): 222~254. DOI:10.1139/t97-091
Feng X T, Chen S L, Zhou H. 2004. Real-time computerized tomography(CT)experiments on sandstone damage evolution during triaxial compression with chemical corrosion[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 41(2): 181~192. DOI:10.1016/S1365-1609(03)00059-5
Kachanov M. 1992. Effective elastic properties of cracked solids:Critical review of some basic concepts[J]. Applied Mechanics Reviews, 45(8): 304~335. DOI:10.1115/1.3119761
Kawakata H, Cho A, Kiyama T, et al. 1999. Three-dimensional observations of faulting process in Westerly granite under uniaxial and triaxial conditions by X-ray CT scan[J]. Tectonophysics, 313(3): 293~305. DOI:10.1016/S0040-1951(99)00205-X
Lan H X, Martin C D, Hu B. 2010. Effect of heterogeneity of brittle rock on micromechanical extensile behavior during compression loading[J]. Journal of Geophysical Research-Solid Earth, 115(B01202): 1~14.
Lockner D A, Byeflee J D, Kuksenko V, et al. 1992. Observation of quasi-static fault growth from acoustic emission, in fault mechanics and transport properties of rocks[M]. New York: Academic Press: 3~31.
Martin C D, Chandler N A. 1994. The progressive fracture of Lac du Bonnet granite[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts, 31(6): 643~659. DOI:10.1016/0148-9062(94)90005-1
Martin C D. 1993. The Strength of Massive Lac du Bonnet Granite around Underground Openings[D]. Winnipeg, Manitoba, Canada: University of Manitoba.
Martinez A R. 1999. Fracture coalescence in natural rock[D]. Cambridge, America: Massachusetts Institute of Technology.
O'Connel R J, Budiansky B. 1974. Seismic velocities in dry and saturated cracked solids[J]. Journal of Geophysical Research(Solid Earth), 79(35): 5412~5426.
Park C H, Bobet A. 2009. Crack coalescence in specimens with open and closed flaws:A comparison[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 46(5): 819~829. DOI:10.1016/j.ijrmms.2009.02.006
Thompson B D, Young R P, Lockner D A. 2009. Premonitory acoustic emissions and stick-slip in natural and smooth-faulted Westerly granite[J]. Journal of Geophysical Research-Solid Earth, 114(B02205): 1~14.
Ullemeyer K, Siegesmund S, Rasolofosaon P N J, et al. 2006. Experimental and texture-derived P-wave anisotropy of principal rocks from the transalp traverse:an aid for the interpretation of seismic field data[J]. Tectonophysics, 414: 97~116. DOI:10.1016/j.tecto.2005.10.024
International Society for Rock Mechanics. 2007. The complete isrm suggested methods for rock characterization, testing and monitoring 1974-2006[S]. International Society for Rock Mechanics, Commision on Testing Methods.
Wong L N Y, Einstein H H. 2009. Crack Coalescence in Molded Gypsum and Carrara Marble:Part 2-Microscopic Observations and Interpretation[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 42(3): 513~545. DOI:10.1007/s00603-008-0003-3
Wong N Y. 2008. Crack coalescence in molded gypsum and Carrara Marble[D]. Cambridge, America: Massachusetts Institute of Technology.
Zhang X P, Zhang Q, Wu S C. 2017. Acoustic emission characteristics of the rock-like material containing a single flaw under different compressive loading rates[J]. Computers and Geotechnics, 83: 83~97. DOI:10.1016/j.compgeo.2016.11.003
Zhang X P, Zhang S P. 2015. A continuing measure method for p-wave velocity measurement during cracking processes of rock: China, ZL 2012 1 0008360. 7[P]. 2015-05-13.
Zhang X P, Wang S J, Han G Y, et al. 2011. Crack propagation study of rock based on uniaxial compressive test-a case study of schistose rock[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 30(9): 1772~1781.
Zhang X P, Wong L N Y, Wang S J, et al. 2011. Engineering properties of quartz mica schist[J]. Engineering Geology, 121(3-4): 135~149. DOI:10.1016/j.enggeo.2011.04.020
Zhou X P, Zhang Y X, Ha Q L. 2008. Real-time computerized tomography(CT)experiments on limestone damage evolution during unloading[J]. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 50(1): 49~56. DOI:10.1016/j.tafmec.2008.04.005
张晓平, 王思敬, 韩庚友, 等. 2011. 岩石单轴压缩条件下裂纹扩展试验研究—以片状岩石为例[J]. 岩石力学与工程学报, 30(9): 1772~1781.
张晓平, 张仕平. 2015. 一种测量岩石压缩裂纹扩展过程声波波速的连续测量方法: 中国, ZL 2012 1 0008360. 7[P]. 2015-05-13.
中国电力企业联合会. 2013. 工程岩体试验方法标准(GB/T 50266-2013)[S]. 北京: 中国计划出版社.
中国电力企业联合会. 2007. 水利水电工程岩石试验规程(DL/T 5368-2007)[S]. 北京: 中国电力出版社.